微机原理课程设计报告

微机原理及接口技术课程设计报告

题目步进电机转速实时控制设计

学院信息科学与工程学院

专业电子信息工程

学生姓名丁右棋

学号201610425204 年级2016 级

指导教师张玉职称讲师

2018 年6 月29 日

《微机原理及接口技术课程设计》课程考核评分表

优（90—100分）、良（80—89分）、中（70—79分）、及格（60—69分）、不及格（<60分）

教师签名：

2018.6.30

步进电机转速实时控制设计

摘要：步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。通过汇编语言对可编程I/O口扩展芯片8255编程，控制其输出信号。8255的输出端连接驱动电路，是驱动电路按照程序设定好的方式导通，来控制步进电机的转动。并且在程序中设定，控制步进电机的转向。

关键词：步进电机；8255；转速控制

The real-time control design of the speed of the stepping

motor

Abstract：Stepping motor is also called pulse motor. Based on the basic principle of electromagnet, it is a kind of electromagnet which can turn freely.The programmable I/O port expansion chip 8255 is programmed by assembly language to control its output signal. The output port of the 8255 is connected with the driving circuit, and the driving circuit is controlled according to the programmed setting way to control the rotation of the stepping motor. And set in the program to control the steering of stepper motor. Key words:step motor; 8255; speed control.

目录

第1章绪论 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2选题的目的和意义 (2)

1.3本课程设计的主要内容 (2)

第2章步进电机转速实时控制设计 (3)

2.1设计方案 (3)

2.2硬件系统基本原理 (3)

2.2.18255A并行接口芯片 (3)

2.2.2步进电机 (5)

2.2.3驱动芯片 (9)

2.3软件框图及设计思想 (11)

2.4软件清单 (12)

第3章结束语 (14)

参考文献 (15)

第1章绪论

1.1 研究背景

我国的步进电机在二十世纪七十年代初开始起步,七十年代中期至八十年代中期为成品发展阶段,新品种和高性能电机不断开发，目前，随着科学技术的发展,特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展,使步进电机在众多领域得到了广泛应用。步进电机被广泛运用于航空航天领域，医疗救护领域，军事及公安消防领域等诸多领域，运用范围广泛且普遍。

正因为步进电机的广泛应用，对步进电机的控制的研究也越来越多，在启动或加速时如果步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，产生堵转或失步在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步，提高工作频率，要对步进电机进行升降速控制。

步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步力矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差十倍之多。

步进电机的起动频率特性使步进电机启动时不能直接达到运行频率，而要有一个启动过程，即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。停止时运行频率不能立即降为零，而要有一个高速逐渐降速到零的过程。步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动力矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩，又不能超过这个力矩。因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。

国内外的科技工作者对步进电机的速度控制技术进行了大量的研究，建立了多种加减速控制数学模型，如指数模型、线性模型等，并在此基础上设计开发了多种控制电路，改善了步进电机的运动特性。

1.2 选题的目的和意义

步进电机虽然已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

步进电机是工业程控及仪表中的主要控制组件之一。在数字控制系统中，由于其可以直接接受计算机的数字元信号，不需要进行数模转换，所以用起来更方便。步进电机角位移与控制脉冲间的精确同步。若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用，人们对步进电机的使用越来越多，因此对步进电机的控制就显得比较重要，对步进电机控制的研究有助于我们进一步了解步进电机及运用步进电机完成一些系统运转。正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量等特点，所以使其在特定场合中得到了广泛的应用。所以学会使用微型计算机控制步进电机也就显得更有必要了，同时研究对步进电机转速的

1.3 本课程设计的主要内容

使用微型计算机，通过8255芯片实现对步进电机的简易实时控制，了解并掌握一般的软硬件的设计方法和查阅、运用数据的能力，掌握步进电机与8255的接口电路原理。利用程序及硬件设备对步进电机的转速及转向进行控制，实现能编制出步进电机正、反转运行程序，实现步进电机高速正转->低速正转->低速反转->高速反转的循环。

步进电机至少达到以下几个要求：

(1)步进电机能进行正转。

(2)步进电机能进行反转。

(3)步进电机具有两种转速，低速和高速。

第2章步进电机转速实时控制设计

2.1 设计方案

本设计采用电压为DC12V的四相八拍步进电机35BYJ46型电机，用ULN2803作为步进电动机驱动电路主芯片，以8255A作为8088并行输出接口，8088对步进电机的控制信号则通过8255A送到ULN2803。

关于转向与转速，通过查表的方式实现，以逐次递增方向查表，依次输出表中数据，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转，即通过一个表实现步进电机的正转与反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。

2.2 硬件系统基本原理

在工业控制系统里步进电动机是主要的控制元件之一。步进电机具有快速启动停止，精确定位和能够使用数字信号进行控制，能够实现脉冲-角度转换的特点，因此得到广泛的应用。在使用步进电机的控制系统里，脉冲分配器产生周期的控制脉冲序列，步进电机驱动器每接收一个脉冲就控制步进电机沿给定方向步进一步。

2.2.1 8255A并行接口芯片

8255芯片是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

1）与CPU连接部分

根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0～A1。此外

CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下：

（1）数据总线DB：编号为D0～D7，用于8255与CPU传送8位数据。

（2）地址总线AB：编号为A0～A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。

（3）控制总线CB：片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。

2）与外设接口部分

根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下：

（1）A口：编号为PA0～PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

（2）B口：编号为PB0～PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

（3）C口：编号为PC0～PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O 方式时，C口用于应答信号的通信。

3）控制器部分

8255将3个通道分为两组，即PA0～PA7与PC4～PC7组成A组，PB0～PB7与PC0～PC3组成B 组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：（1）A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。

（2）B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出。

图2-1 8255芯片引脚

图2-2 8255芯片内部结构

2.2.2 步进电机

实验使用型号为35BYJ46的四相步进电机，采用四相八拍控制方式工作。步进电机的转角和转动方向取决于各相中通电脉冲的个数和顺序。8088控制机控制步进电机的电路见图2-3。计算机将表2－1所示的各种通电方式转换成相应的状态控制字，通过计算机将各种状态字依次送到接口电路，并根据速度的要求作相应的延时处理。由接口电路输出所需的控制脉冲通过驱动电路路使步进电机按要求动作。驱动电路使用ULN2803A达林顿晶体管，反相驱动，驱动电流可以达到500mA。驱动电路的作用是对控制脉冲进行放大，产生步进电机工作所需要的激励电流。

图2-3 步进电机控制实验原理图

35BYJ46型步进电机使用DC12V电压，采用四相八拍控制相序。励磁线圈和励磁顺序如图2-4，控制相序如表2-1。表中的PC0～PC3对应并行接口8255的C口0～3位。如果使用8255B口的其它位则相应的状态字也要改变。

表2-1 步进电机四相八拍相序表

当S1连通电源后，定子磁场将产生一个靠近转子为N 极，远离转子为S 极磁场，这样的定子磁

场和转子的固有磁场发生作用，转子就会转动，正确地控制S1~S4的送电次序，就能控制转子旋转的方向。

例如：若送电的顺序为S1闭合断开

S2闭合

断开

S3闭合

断

开

S4闭合

断开，周而复始的循环，在定子和转子共同作用下，电机就顺时针旋转，

如下图2-8：

图2-8 顺时针旋转

若送电的顺序为S4闭合断开

S3闭合

断开

S2闭合

断开

S1闭合

断开，周而复始的循环，则电机就逆时针旋转，原理同理。

图2-6 电机定子和转子示意图 图2-7 电气连接示意图

图2-9 8255A向步进电机发出的控制脉冲

2.2.3 驱动芯片

ULN2803 共有 8个MN达林顿晶体管，连接在陈列非常适合逻辑接口电平数字电路6例如TTL，CMOS或PMOS上/ NOS)和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载，广泛的使用范围:计算机，工业和消责应用。所有设备功能由集电极输出和钳位极管瞬态抑制。该LN2803是专为符台标准IIL，而制造ULN2804适合6至157的高级别CMS或FOS上。该电路为输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。

图 2-10原理图

ULN2803，1-8脚为输入，9脚接GND，10脚接负载电源+，11-18脚接输出。图2-10左边为输入端（假设为1脚），右上角为输出端（对应18脚），pin10为10脚接负载电源+。当1脚接+5V时三极管为饱和状态，此时18脚输出，从左到右数第二个三极管导通，接负载电源GND，此时负载得

电动作。ULN2803一般接感性负载，例如继电器、电磁阀所以之间反接了续流二极管，保护ULN2803。当1脚接0V时，负载不会构成回路，所以不动作。

2.3 软件框图及设计思想

图2-11 程序框图

设计思想，通过延时，循环等指令实现对转向及转速的控制。

2.4 软件清单

.MODEL TINY

IO8255_Con EQU 0D003H ;CS3

IO8255_PC EQU 0D002H

.STACK 100

.DATA

TAB1 DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H ;存放相序表TAB2 DB 09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H

.CODE

START: M OV AX,@DATA

M OV DS,AX

N OP

MAIN: MOV A L,90H

MOV DX,0D003H ;8255控制寄存器, 方式0,C口输出

OUT DX,AL

B_1: LEA BX,TAB1 ;取有效地址

MOV CX,0008H

B_2: MOV AL,[BX]

MOV DX,0D002H ;从PC口输出

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

INC BX ;表格指针+1

LOOP B_2

CALL DELAY

CALL DELAY

JMP B_4

B_4: LEA BX,TAB2 MOV CX,0008H

B_5: MOV AL,[BX] MOV DX,0D002H OUT DX,AL

CALL DELAY

CALL DELAY

INC BX

LOOP B_5

CALL DELAY

CALL DELAY

CALL DELAY

JMP B_1

DELAY PROC NEAR

PUSH C X MOV CX,1000H

B_3: PUSH A X

POP AX

LOOP B_3

POP CX

RET

DELAY ENDP

END START

第3章结束语

本次课程设计在四次实验的基础上进行的，在本次课程设计过程中我也发现了自己许多知识上的不足之处。在遇到困难与不清楚的知识点的时候，学会了利用书籍查阅资料，加深了我自己对知识的理解，更加清楚的明白了理论知识与实际应用之间的具体联系，二者相辅相成，不可分离，理论是实际的指导，实际是理论的生动阐述。通过这次课程设计使我明白了自己的知识太过于理论化了。自己需要学习的东西还很多，通过这次课程设计，我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在学习的过程中确实困难较多，确实是万事开头难，不知道如何入手。课程设计完成之后有种如释重负的感觉。此外，我明白了，知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认识到只有到真正会用的时候才是真的学会了。在做课程设计的过程中，我查阅有关资料，与同学交流经验和自学等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在以后的专业学习中，除了认真学习理论知识之外，我会更加注重动手能力，只有通过自己实实在在的去做，才会真实的提升自己，才会将知识体系的脉络梳理得更加清晰。

这次课程设计之所以能够完成，得益于老师的教导及同班同学对我的帮助。在遇到困难的时候，我与同学一起商量，相互帮助，找出合理的办法来解决问题。通过本次课程设计，我进一步的加深了对微机原理与接口技术专业知识的认识与了解，更进一步的锻炼了实践动手的能力，明确了知识与技能唯有实践才能真正检测出是否掌握。在今后的学习过程中，我会努力做到理论与实践相结合。

参考文献

[1] 王福瑞，等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京北京航空航天大学出版社，1998.

[2] 陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:上海科学技术出版社，1989。

[3] 刘保延，等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997.

[4] 杨刚《电子系统设计与实践》，电子工业出版社2004-01.

[5] 马忠梅，籍顺心。单片机应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006, 92-93.

[6] 刘振栋步进电机接口电路的设计1999年第9期电测与仪表

[7] 何小海《微机原理与接口技术》，科学出版社，2006

[8] 刘宝志《步进电机的精确控制方法研究》，山东大学，2010